CN109738077B - 一种太赫兹频率的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹波频率的测量装置及方法，测量装置包括：脉冲磁体、脉冲电源模块、波导管、信号采集模块和信号处理模块；脉冲磁体用于给样品的自旋电子提供自旋频率的背景磁场；脉冲电源模块用于给脉冲磁体提供电流；波导管用于为太赫兹波传输提供通路；信号采集模块用于探测所述背景磁场的大小以及信号源经过所述样品被吸收后的功率变化；信号处理模块用于对采集的信号进行处理后获得被测信号的太赫兹波频率。本发明由于测量原理是基于物理效应，所以不受电子测量器件的限制，与混频外差法相比其测量频带宽，能够取得测量范围覆盖整个狭义太赫兹波频段的有益效果；与光学中的干涉法相比，由于不受被测信号具有相干性的限制，能够取得同时测量多个信号频率的有益效果。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹(THz)检测技术领域，更具体地，涉及一种太赫兹频率测量装置及方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是频率处于0.1THz-10THz(1THz＝1012Hz)范围内的高频电磁波，位于目前尚未被充分研究的毫米波与红外光之间的频率范围，由于其频带的特殊性，使太赫兹波具有强穿透性、高信噪比、频带宽、低辐射等特点，因此在通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域有着极为广泛的应用需求和价值。但也正是由于这种特殊性给其信号测量带来了诸多困难，尤其是频率测量更具挑战。因为相较于传统的电磁波信号，其频率太高，无法用示波器或者频谱仪直接测量；而相对于光波信号，又无法用传统干涉的方法来测量频率。因此，如何准确测量太赫兹波频率是目前太赫兹测量技术面临的技术瓶颈，太赫兹频率测量技术的进步对于太赫兹技术发展具有重要意义。
在太赫兹技术及应用中，国内外众多研究机构都在开展太赫兹波频率测量的相关工作。目前太赫兹波频率测量方法主要分为电子学测量方法和光学测量方法两种。从电子学测量方法的角度，普遍采用的是混频外差法，它是通过外部被测信号与频率相当的本地振荡信号进行差频，通过分析输出的中频信号来得到被测太赫兹波的频率。但是对于频率在0.3THz及其以上的太赫兹波，混频外差法有几个主要困难：一是稳定的振荡源和混频器很少，而且价格十分昂贵；二是如果被测信号是由多个信号混合而成，混频外差法根本无法一次性区分每个信号频率，甚至会漏掉其中某些被测信号，这样就无法保证测量结果的准确性。三是目前混频外差法频率测量范围取决于倍频器的扩频倍数，其带宽不能覆盖整个狭义太赫兹波频率范围(0.3THz-3THz)。虽然上述方法可以对太赫兹波频率进行测量，但是预先需要对所测信号频率进行预判，如果被测频率与预判频率差值大于混频器中频信号频率范围，就会无法测到信号，这样就需要重新预判被测频率，反复进行测量。而光学中的干涉法，需要被测信号具有很好的相干性，如果被测信号由多个不同频率的信号组成，则无法用干涉法进行测量。针对上述情况，亟需研究能够在太赫兹波段内稳定、准确、经济的测量太赫兹波频率的测量装置及其方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种太赫兹频率测量装置，旨在解决现有技术中在未知信号组成情况下，无法测量多个混合信号的问题。
本发明提供了一种太赫兹波频率的测量装置，包括：脉冲磁体、脉冲电源模块、波导管、信号采集模块和信号处理模块；所述脉冲磁体用于给样品的自旋电子提供自旋频率的背景磁场；所述脉冲电源模块用于给所述脉冲磁体提供电流；所述波导管用于为太赫兹波传输提供通路；所述信号采集模块用于探测所述背景磁场的大小以及信号源经过所述样品被吸收后的功率变化；所述信号处理模块用于对采集的信号进行处理后获得被测信号的太赫兹波频率。
更进一步地，测量装置还包括：同步控制器，与所述信号处理模块连接，用于实现脉冲磁体放电和信号采集模块的同步控制。
更进一步地，波导管为双层过模圆波导结构，且内层为不锈钢镀铜材料，外层为不锈钢材料。
更进一步地，信号采集模块包括：磁场信号采集单元和ESR信号采集单元，所述磁场信号采集单元设置于所述脉冲磁体的中心，用于探测所述背景磁场的大小；所述ESR信号采集单元设置于所述波导管底部，用于探测信号源经过样品被吸收后的功率变化。
本发明还提供了一种基于上述的测量装置的测量方法，包括下述步骤：
(1)被测信号通过波导管导入至脉冲磁体中心的样品处，同时通过脉冲电源对磁体放电使样品处于连续变化的脉冲磁场H的环境下；
(2)样品内部的电子自旋将在磁场作用下发生塞曼能级劈裂，变为在某一磁场附近对被测信号能量进行共振吸收，采集被测信号能量变化；
(3)对采集的信号进行处理并获得被测信号频率。
更进一步地，在步骤(1)之前还包括：在测量被测信号频率前，先将样品设置于所述脉冲磁体的中心。
更进一步地，步骤(3)具体为：对采集的信号先进行单位换算，再进行后处理获得功率吸收-磁场曲线，根据公式hυ＝guBH获得被测信号频率；其中，h为普朗克常量，v为电磁波频率，g为朗德因子，uB为Bohr磁子，H是磁场强度。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于测量原理是基于物理效应，所以不受电子测量器件的限制，与混频外差法相比其测量频带宽，能够取得测量范围覆盖整个狭义太赫兹波频段有益效果，与光学中的干涉法相比，由于不受被测信号具有相干性的限制，能够取得同时测量多个信号频率的有益效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的太赫兹频率测量装置的原理框图；
图2是本发明实施例提供的脉冲磁场波形；
图3是本发明实施例提供的脉冲电源结构示意图；
图4是本发明实施例提供的探测线圈原理示意图；
在附图中，1为被测信号，2为圆形波导管，3为测试样品，4为探测线圈，5为脉冲磁体，6为信号探测器，7为脉冲电源模块，8为信号处理模块，9为同步控制器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种稳定测量太赫兹波频率的测量装置及其方法，可以解决在未知信号情况下无法测量多个混合信号的问题，且成本低，测量带宽较宽。
电子自旋共振现象是一种固体在电磁波和磁场的共同作用下，在某一磁场附近产生对电磁波的共振吸收现象。电子自旋在外部磁场作用下，根据塞曼效应，磁场H使自旋系统的基态能级劈裂，当S＝1/2时，能级劈裂为ΔE＝guBH，当外部有垂直于H的高频电磁波f(v)时，电磁波光量子能量为hυ。如果满足hυ＝guBH，其中h为普朗克常量，v为电磁波频率；g为朗德因子，uB为Bohr磁子，H是磁场强度；即光量子能量等于自旋系统跃迁所需能量，就会产生电子自旋共振，自旋系统吸收这个频率的电磁波，从低能级跃迁到高能级。因此，要产生电子自旋共振，电磁波频率和磁场强度均需满足共振条件。而根据公式hυ＝guBH，除了电磁波频率和磁场强度是未知量，其余参数均为常量，如果能测到电磁波被吸收时所对应的磁场强度，就可以推算出被测电磁波频率。
本发明提供的太赫兹波频率的测量装置包括：脉冲磁体、脉冲电源模块、波导管、信号采集模块和信号处理模块；其中脉冲磁体可以由螺线管型脉冲磁体构成，用于给样品的自旋电子提供特定自旋频率的背景磁场，该样品位于磁场中心；脉冲电源模块用于给脉冲磁体供电；其包括：充电机、隔离开关、电容器、续流回路和放电开关；整个脉冲电源模块是由充电机与隔离开关串联并与电容器和续流回路并联在通过放电开关与磁体串联组成，其中充电机负责给电容器充电，隔离开关起通断充电回路的作用，当电容器充电到指定电压时，开始给磁体放电，此时充电回路断开，放电回路开始工作，放电回路的通断由放电开关控制，放电结束，续流回路开始工作，此时二极管导通，能量逐渐由磁体向续流电阻转移。整个过程由计算机通过同步控制器进行控制。
波导管可以由圆形不锈钢镀铜管构成，主要为被测信号传播提供通路，将被测信号引入到信号采集模块，其中样品位于波导管内。信号采集模块包括：磁场信号采集单元和ESR信号采集单元，磁场信号采集探测信号系统可以为探测线圈，位于整个脉冲磁体的中心，用于探测磁场大小，ESR信号采集单元用于探测信号经过样品被吸收后的功率变化，其位置位于波导管的底部。
信号处理模块包括：信号转换单元、放大器以及计算机，信号转换单元负责将所采集的模拟信号转换为数字信号，放大器主要用于将所采集的功率变化信号放大。计算机用于对放大后的功率变化信号进行处理后输出被测信号的太赫兹波频率。
在本发明实施例中，测量装置还包括同步控制器，其与信号处理模块相连接；主要用于实现脉冲磁体放电和信号采集单元的同步控制。作为本发明的一个实施例，同步控制器可以是基于NI公司LabVIEW软件平台用于控制脉冲电源单元、信号采集模块、以及数据后处理功能。
在本发明实施例中，在测量被测信号频率时，将样品放入实验装置，样品属于一种稳定和良好定性的固体自由基，会在实验中获得锐利的共振峰，现象十分明显易于辨认，其g值为2.0032，对温度非常稳定；被测信号经水平放置的不锈钢镀铜圆形波导管传输至脉冲磁体中心的样品处，此时，脉冲电源对磁体放电，样品处于连续变化的脉冲磁场H的环境下，此时样品内部的电子自旋将在磁场作用下发生塞曼能级劈裂，劈裂的能级宽度与外磁场成正比，根据公式hv＝guBH，电子将通过吸收电磁波能量在不同能级之间发生跃迁，宏观上变现为在某一磁场附近对被测信号能量进行共振吸收，安装于磁场外部的探测器能灵敏的捕捉到被测信号能量变化，并将这一信号通过信号转换单元送至计算机。
从信号转换单元中获取的信号需要进行单位换算才能被直观判断。探测的磁场信号其实为磁通量，需要对时间积分才能转变为最终所需的磁场信号。采集的信号中并不包含时间，但我们可以从计算机的参数设置中获得单位时间的采集点数，从而重新添加时间轴。获得积分磁场后以它为横坐标，吸收信号强度为纵坐标，最终可获得功率吸收-磁场曲线。
其中，螺线管线圈采用截面积为1mm2的铜线绕制，其高度为160mm，外径60mm，内径为10mm；采用高强度、高电导率的CuNb合金绕成，每层CuNb导线由一层高强度、高模量Zylon纤维加固。用这种参数的铜线绕制螺线管可以在其工作时降低损耗，产生同样强度磁场，体积更小。
其中，电容器组由两台3.2mF/5KV高储能密度的自愈式金属化膜电容器并联组成。充电机采用AC/DC/AC/DC高频谐振型恒流限功率充电方式。在同样体积的条件下，可以存储更大能量。
其中，隔离开关和放电开关为大电流晶闸管开关，可以快速完成回路通断；且机械振动较小；所述续流支路由续流二极管和续流电阻串联组成，并与所述磁体放电主回路中的脉冲磁体等效电阻和电感并联，结构简单可靠。
其中，波导管由双层过模圆波导构成，内层过模圆波导其直径为8mm，材质为不锈钢镀铜结构，可以减少被测信号在传输过程中的损耗，在高场情况下可以减少涡流效应的影响，外层过模圆波导直径为10mm，其材质为普通不锈钢结构，起保护作用；被测信号通过波导管内层波导管传输到实验样品。
其中，同步控制器由LabVIEW实现，脉冲电源模块放电时的电容器充电电压可根据不同实验的要求通过同步控制器设置。同步控制器通过电容器组电压的实时采样，并通过精确控制方式和充电保持措施，使得每次放电时电容器上的电压与设定值的误差在0.3％以下。本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明采用电子自旋共振的方法检测太赫兹波频率，与混频外差法相比，无需本地高精度振荡源和混频器等昂贵的仪器设备，大大节约了成本，测量范围覆盖整个狭义太赫兹波段(0.3THz-3THz)；与干涉法相比，不需要被测信号具有相干性的要求，又能够同时测量多个信号频率。
本发明提供了一种太赫兹脉冲频率测量装置，旨在解决现有混频外差法测量频率成本太高、高精度设备不易购买，测量范围不够宽；干涉法需要信号为相干信号而且无法测量脉冲波的问题；本发明可以实现太赫兹连续波和脉冲波频率的测量，为太赫兹检测提供了一种新思路。
如图1所示，本发明提供了一种太赫兹脉冲频率测量装置，包括：脉冲磁体、脉冲电源模块、波导管、信号采集模块、信号处理模块和同步控制器；其中，脉冲磁体由螺线管型线圈构成，为了易于绕制本文选取截面积为1mm2的铜线螺线管线圈采用截面积为1mm2的铜线绕制；集肤深度其中：f为电流频率，μ为导线磁导率，ε为导线电导率。考虑到导线利用率导线直径应小于2*δ本装置实例中：最大频率为50Hz，经计算集肤深度为9.4mm，所以导线直径应小于18.8mm；供电电流大约20A，根据铜线载流能力可选导线截面积大于等于1mm2；脉冲磁体高度为160mm，外径60mm，内径为10mm；采用高强度、高电导率的CuNb合金绕成，每层CuNb导线由一层高强度、高模量Zylon纤维加固。
如图3所示，脉冲电源模块包括：充电机、电容器、隔离开关、续流回路、放电开关组成。
整个脉冲电源模块的工作过程为：(1)充电阶段：根据实验要求，同步控制器根据实验要求设定工作电压值，闭合充电隔离开关，由充电机将电容器充电至设定工作电压并保持。(2)放电阶段：当接收到放电命令时，断开充电隔离开关，触发大电流晶闸管放电开关。(3)续流阶段：续流二极管导通，能量逐渐由负载磁体转移到续流电阻上，最终完成放电过程。
信号采集模块分为磁场信号探测模块和ESR信号探测模块，磁场探测模块为把匝数为N，截面积为S的探测线圈放在磁场强度为μ0H(＝B)的磁场中，线圈轴线与磁力线方向平行。当通过线圈的磁通φ发生变化时，根据法拉第电磁感应定律，在探测线圈中的感应电动势与磁通的变化速率(dφ/dt)成正比：
因此，原理上只要对所采集的感应电动势ε的数据进行积分就可以得到相应的磁场强度μ0H随时间的变化及其峰值。如图4所示，L为线圈等效电感，R为线圈电阻，C为等效电容，R1为取样电阻。被测量磁场μ0H与R1两端电压U的关系为：这样，通过输出电压的积分信号即可得到磁场信号，二者成线性关系。
ESR信号探测模块我们使用PN结型光电器件，在电磁波照射下，价带电子跃迁至导带，形成的自由电子和空穴在PN节内部电场作用下形成电流，在PN节两端产生电动势。为了使获得的信号便于识别，将信号接入前置放大器进行再次放大。由前置放大器获得了幅值适当的电压信号在经一个高精度模数转换(A/D)模块，转换成计算机可以识别的数字信号；采集过程中，数据首先被保存在信号转换单元内存中，随后由计算机提取使用。
在本发明实施例中，整个波导管实际分为两层，内层波导管的主要作用是导入被测信号、对样品进行局部保护的功能，其材质为不锈钢内层镀铜结构，这是因为铜的硬度不如不锈钢，在强磁场条件下，易产生涡流效应导致其变形；而不锈钢的导电性不如铜，而被测信号在传播过程中会衰减损耗，信号过小可能检测不到，所以采用不锈钢内层镀铜结构可以很好解决这一问题；外层波导管的主要作用起保护作用，其材质为普通不锈钢结构；其中样品和检测线圈位于波导管内，外径分别为10mm、8mm，厚度为0.3mm，内层放样品、外层放探测线圈，位置全部位于磁体中心。
同步控制器为通过LabVIEW实验平台，多个测量仪器和软件以及计算机成为一体的虚拟仪器系统。在虚拟仪器系统下，软件负责完成运算工作，而硬件仅仅起到连接和数模转换作用。相同的仪器在不同的软件编程下可以实现完全不同的测量功能，在连续波测量的情况下，同步控制器要对脉冲电源模块和信号采集模块进行同步工作的功能，在被测信号进入波导管的同时，触发晶闸管使脉冲电源系统给磁体放电产生磁场，同时，信号采集模块开始实时采集磁场信号和ESR信号；如果是脉冲波测量，就需要对被测信号输入进行延时处理，且对被测信号频率进行预判，首先启动脉冲电源模块给脉冲磁体放电，在脉冲磁场上升到被测信号与样品自旋电子共振所需的磁场附近时，再开始输入被测信号，保证信号采集模块工作时，被测信号与样品自旋电子共振所需磁场有交点。由于同步控制器的开放和兼容性，为用户测量符合实验要求的连续和脉冲太赫兹波频率提供了条件。
为了更进一步的说明本发明实施实例提供的太赫兹波频率检测装置，现对其检测原理进行阐释：图1所示为本发明实施例提供的太赫兹波频率检测的原理图。原理图所示系统包括脉冲电源系统(磁体充电主回路、放电主回路、续流支路)、磁体系统、波导管、信号采集模块和同步控制器。
磁体放电主回路由电容器组、充电隔离开关、放电开关、续流回路、脉冲磁体等效电阻Rm和电感Lm、主回路电阻R0依次串联组成。如图3所示，其中电容器组中的Ub代表放电电压；续流支路由续流二极管D1和续流电阻R1串联组成，直接与磁体并联，用于放电过程后半段磁体泄放电流。其中磁体放电主回路和续流支路：电容总电压Ub为771V、放电开关S1开断能力为2kV/40kA、线路电感R0为3.84mΩ、磁体等效电感Lm为3.4mH、磁体在77K温度下的等效电阻Rm为3.8mΩ、续流电阻R1为13mΩ。
在被测信号接入到测量装置之前，充电机迅速充电，当被测信号经波导管输入到样品时，此时，放电回路开始工作；电路开始工作时，充电隔离开关断开，放电开关导通，其等效为直流开关S1闭合，电容器组开始对磁体放电。此时流过磁体的电流Im逐渐上升，由于磁体在通流过程中产生焦耳热导致磁体电阻Rm上升，电流的上升速度逐渐变缓。同时由于dIm/dt的减小，磁体的压降会随着感性压降的迅速减小而减小。当达到同步控制器预设的放电脉宽后，放电开关继续导通，磁体通过R1和D1组成的续流回路泄放存储的磁场能量。
脉冲磁场波形如图2所示，在磁场由0到B1的时间t中，同步控制器需要使用LabVIEW完成的软件功能主要分成三部分，分别为启动信号采集模块、脉冲电源控制模块和信号处理模块。前两者在操作过程中是需要同时运行的，数据处理则可以在实验完成之后单独完成，以节约运算资源。信号采集参数设置被整合在一块面板上，其中包括触发模式、采样模式、采样速率和采样点数。触发信号是由同步控制器发出的，用来同步放电操作，通常触发时间为放电前5毫秒，。被测信号存在数据采集，模块开始工作时间短，所以采用有限次采样。采样速率和点数越高则采样效果越好，但数据量也会增大，设置采样速率为1000000，采样点数为80000。
另外需保证样品和探测线圈位于磁场中心，如果不在中心就会导致测量结果不准确，现提供另外一种方法同样可以达到测量太赫兹频率的目的，且可以消除磁场精度对测量精度的影响，此时需要一套低频标准波源f2(以校准)，设被测信号频率为f1，同时输入被测信号f1与已知频率信号f2，或者先输入已知信号，再输入被测信号；重复上述步骤，就可以得到两个ESR信号频谱，已知信号所对应的磁场大小H2，被测信号所对应的磁场大小H1，这样f1＝f2H1/H2。
综上所述，本发明提供一种太赫兹波频率测量装置。该测量装置和技术能够测量太赫兹连续波和脉冲波的频率，且测量频段宽、成本相对较低。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种太赫兹波频率的测量装置，其特征在于，包括：脉冲磁体、脉冲电源模块、波导管、信号采集模块和信号处理模块；
所述脉冲磁体用于给样品的自旋电子提供自旋频率的背景磁场；
所述脉冲电源模块用于给所述脉冲磁体提供电流；
所述波导管用于为被测太赫兹波信号的传输提供通道；
所述信号采集模块用于探测所述背景磁场的大小以及被测太赫兹波信号经过所述样品被吸收后的功率变化；
所述信号处理模块用于对采集的信号进行处理后获得功率吸收-磁场曲线，根据公式hυ＝gu B H获得被测太赫兹波信号频率；其中，h为普朗克常量，υ为电磁波频率，g为朗德因子，u B 为Bohr磁子，H是磁场强度。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：同步控制器，与所述信号处理模块连接，用于实现脉冲磁体放电和信号采集模块的同步控制。
3.如权利要求1-2任一项所述的测量装置，其特征在于，所述波导管为双层过模圆波导结构，且内层为不锈钢镀铜材料，外层为不锈钢材料。
4.如权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于，所述信号采集模块包括：磁场信号采集单元和ESR信号采集单元；
所述磁场信号采集单元设置于所述脉冲磁体的中心，用于探测所述背景磁场的大小；
所述ESR信号采集单元设置于所述波导管底部，用于探测被测太赫兹波信号经过样品被吸收后的功率变化。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的测量装置的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）被测太赫兹波信号通过波导管导入至脉冲磁体中心的样品处，同时通过脉冲电源对脉冲磁体放电使样品处于连续变化的脉冲磁场H的环境下；
（2）样品内部的自旋电子将在磁场作用下发生塞曼能级劈裂，变为在某一磁场附近对被测太赫兹波信号能量进行共振吸收，采集被测太赫兹波信号能量变化；
（3）对采集的信号进行处理并获得被测太赫兹波信号频率。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在步骤（1）之前还包括：在测量被测太赫兹波信号频率前，先将样品设置于所述脉冲磁体的中心。
7.如权利要求5或6所述的测量方法，其特征在于，步骤（3）具体为：对采集的信号先进行单位换算，再进行后处理获得功率吸收-磁场曲线，根据公式hυ＝gu B H获得被测太赫兹波信号频率；
其中，h为普朗克常量，υ为电磁波频率，g为朗德因子，u B 为Bohr磁子，H是磁场强度。
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